1 增益自動(dòng)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
智能微波開(kāi)關(guān)接收部分對(duì)接收到的微波檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行前置固定增益(增益約為1)放大以及濾波以后,通過(guò)三級(jí)程控放大電路放大,將信號(hào)幅值放大到要求的范圍,再由后續(xù)電路進(jìn)行解調(diào)和處理。放大器級(jí)聯(lián)模型如圖1所示。
為了適應(yīng)寬動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用,放大器的增益控制必須足夠的靈活。當(dāng)輸入幅值特別小的時(shí)候,放大電路要能夠?qū)⑿》敌盘?hào)放大到要求的范圍內(nèi);當(dāng)輸入幅值特別大的時(shí)候,放大電路還應(yīng)該能夠?qū)⒋蠓敌盘?hào)壓縮。因此,第一級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵,要求對(duì)信號(hào)既可以放大也可以壓縮。而第二級(jí)和第三級(jí)放大電路僅具有放大能力就可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。
2 增益自動(dòng)控制電路硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)寬動(dòng)態(tài)范圍檢波器輸出信號(hào)的特點(diǎn)(輸出信號(hào)約為500μV~2.75 V),本文設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大電路要適應(yīng)如此寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的放大,同時(shí)又能夠?yàn)V除噪聲,故采用集成運(yùn)放、程控?cái)?shù)字電位器和電容組成了反相輸入的一階低通濾波電路,同時(shí)還具有增益調(diào)節(jié)功能,微處理器可以通過(guò)程序控制此電路的增益。所設(shè)計(jì)的第一級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖2所示(其中中R11和R12為程控?cái)?shù)字電位器R1)。
對(duì)圖1進(jìn)行分析,可以得到第一級(jí)程控放大電路的輸出電壓為:
在實(shí)際電路中,選用的集成放大器為L(zhǎng)M6154,它是四路高速低功耗集成運(yùn)放。選用的數(shù)字電位器為MCP4351,它是帶易失性存儲(chǔ)器的8位四路數(shù)字電位器。其電阻調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)為:
式中:N1為0~256之間的十進(jìn)制整數(shù);Rw為電位器抽頭阻值(75 Ω)。
經(jīng)過(guò)計(jì)算可知:
通過(guò)以上分析可以看出,第一級(jí)程控增益放大部分不僅可以將信號(hào)幅值放大也可以將信號(hào)幅值壓縮,使得微波信號(hào)幅值始終保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此需要對(duì)程控增益進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。
另外,由于R10非常小,且接近于Rw,所以當(dāng)剛上電時(shí),N1取128(相當(dāng)于抽頭在中點(diǎn)),近似有g(shù)1=1。
第二級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖#e#第二級(jí)程控增益放大部分的電路原理圖如圖3所示(其中R21和R22為程控?cái)?shù)字電位器R2)。
由圖2可以得到第二級(jí)程控放大電路的輸出電壓為:
由于第三級(jí)放大電路與第二級(jí)放大電路的電路形式相同,故第三級(jí)程控放大電路增益為:
根據(jù)所選數(shù)字電位器MCP4351的參數(shù),結(jié)合電路的形式,在保證信號(hào)不失真的情況下,可以得出程控放大電路各級(jí)輸出電壓范圍為:
第一種方法是三級(jí)增益同步調(diào)節(jié)(同大同小),由于各級(jí)輸出電壓的限制,導(dǎo)致增益可調(diào)范圍變窄。如果同時(shí)調(diào)的過(guò)大,則總增益過(guò)大,從而將造成信號(hào)幅值太大引起失真;如果調(diào)的太小,總增益就變得很小,造成信號(hào)難以被檢測(cè)出來(lái)。
第二種方法是將第一級(jí)增益與后兩級(jí)增益分開(kāi)調(diào)節(jié)。由于第一級(jí)增益的變化范圍大,既可以將微波檢波信號(hào)放大又可以將其壓縮,所以第一級(jí)放大電路在整個(gè)三級(jí)放大電路中起到關(guān)鍵作用。第二級(jí)和第三級(jí)電路形式完全相同,這兩級(jí)放大電路只能將信號(hào)幅值放大。因此,在總增益不變的情況下,先調(diào)節(jié)第二級(jí)和第三級(jí)增益,當(dāng)這兩級(jí)增益確定后,再根據(jù)需要調(diào)節(jié)第一級(jí)增益。
第二級(jí)和第三級(jí)放大電路的增益公式相同,為了提高調(diào)節(jié)效率,將第二級(jí)和第三級(jí)增益進(jìn)行同步調(diào)節(jié),即g3=g2。故總增益為:
因此,只要先確定出g2,就可以很方便地得到g1的值。這種方法有效地解決了第一種方法中存在增益調(diào)節(jié)范圍小的缺點(diǎn)。
各級(jí)增益計(jì)算步驟為:
(1)將總增益G線(xiàn)性等分成4 096級(jí)(靈敏度A/D采樣位數(shù)為12位);
(2)再根據(jù)式(13)和式(14)所確定的各級(jí)增益范圍,對(duì)應(yīng)每級(jí)的G確定出每級(jí)g2的值,并根據(jù)式(9)確定出第二、三級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N2和N3;
(3)g2確定后,根據(jù)式(16)即可得出每級(jí)g1的值,進(jìn)而根據(jù)式(4)計(jì)算出第一級(jí)放大電路數(shù)字電位器刀口位置調(diào)整值N1。
3 增益自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)
制作軟件時(shí),將計(jì)算好的各級(jí)放大器對(duì)應(yīng)的比例值N21,N2和N3做成表存入處理器MSP430F149中,以備調(diào)節(jié)時(shí)由處理程序查找。系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕控制總增益G,當(dāng)靈敏度旋鈕被調(diào)到一個(gè)值后,MSP430F149讀取靈敏度值得出對(duì)應(yīng)的總增益值,通過(guò)查表方式得到各級(jí)數(shù)字電位器放大比例值N1,N2和N3,并將其輸出給MCP4351的各存儲(chǔ)器,MCP4351再按照存儲(chǔ)器中N1,N2和N3的值調(diào)節(jié)數(shù)字電位器,改變反饋電阻阻值,從而實(shí)現(xiàn)增益調(diào)控。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的三級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路應(yīng)用于智能微波開(kāi)關(guān)接收部分的增益控制電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波解調(diào)信號(hào)增益的動(dòng)態(tài)控制。在多級(jí)增益分配過(guò)程中,局部增益線(xiàn)性分配,其余按照約束方程計(jì)算,并形成增益分配表,供CPU查表控制增益。在增益自動(dòng)控制的放大電路中,硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便;適用于1~37 234寬動(dòng)態(tài)范圍增益的調(diào)節(jié);又由于增益的調(diào)節(jié)是CPU通過(guò)查表方式完成的,節(jié)省了系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間,降低了編程難度,整個(gè)系統(tǒng)工作效率高。實(shí)際應(yīng)用中能夠滿(mǎn)足工業(yè)要求,并取得了理想的效果。